Kits de reparo portáteis simplificam manutenção em campo de estruturas compósitos

Pontes modulares implantáveis são um ativo chave em operações táticas militares e logística, bem como para restaurar infraestrutura de transporte durante desastres naturais. A construção em compósitos está sendo investigada para reduzir o peso de tais pontes, o que por sua vez reduz a carga sobre veículos de transporte e mecanismos de lançamento-recolhimento. Compósitos também oferecem potencial para aumentar capacidade de carga e estender vida útil comparado a pontes metálicas.

A Ponte Compósita Modular Avançada (AMCB) é um exemplo, projetada e construída usando laminados epóxi reforçados com fibra de carbono (Fig. 1) pela Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, EUA) e Materials Sciences LLC (Horsham, Pensilvânia, EUA). No entanto, a capacidade de reparar tais estruturas em campo tem sido um obstáculo para a adoção de compósitos.

Desenvolvimento via programas SBIR do Exército dos EUA

Em 2016, a Custom Technologies LLC (Millersville, Maryland, EUA) recebeu uma bolsa de Fase I de Pesquisa de Inovação em Pequenas Empresas (SBIR) financiada pelo Exército dos EUA para desenvolver um método de reparo que possa ser realizado com sucesso por soldados em campo. Baseado neste método, uma bolsa SBIR Fase II foi concedida em 2018 para demonstrar novos materiais e equipamentos operados por bateria que pudessem restaurar 90% ou mais da resistência original da estrutura, mesmo quando o reparo de remendo é realizado por um novato sem treinamento prévio. A viabilidade da tecnologia foi estabelecida realizando uma série de tarefas analíticas, seleção de materiais, fabricação de corpos de prova e testes mecânicos, bem como reparos em pequena e grande escala.

De convés de navio rachado a tabuleiros de ponte

O investigador principal para ambas as fases SBIR foi Michael Bergen, fundador e presidente da Custom Technologies LLC. Bergen aposentou-se do Naval Surface Warfare Center (NSWC) Carderock com um mandato de 27 anos no Departamento de Estruturas e Materiais, onde gerenciou desenvolvimento e aplicação de tecnologias compósitos para a frota da Marinha dos EUA. Dr. Roger Crane juntou-se à Custom Technologies em 2015 após aposentar-se da Marinha dos EUA em 2011 com 32 anos de serviço. Sua expertise em compósitos inclui publicações técnicas e patentes cobrindo tópicos como novos materiais compósitos, fabricação de protótipos, métodos de junção, compósitos multifuncionais, monitoramento de saúde estrutural e reparo de compósitos.

Estes dois especialistas já haviam desenvolvido um processo único que usava compósitos para reparar trincas em superestruturas de alumínio 5456 no cruzador de mísseis guiados USS Ticonderoga CG-47. "Esse processo foi desenvolvido para reduzir crescimento de trincas e servir como alternativa acessível a uma substituição de chapa de convés de $2-4 milhões", diz Bergen. "Assim, havíamos demonstrado que sabíamos como fazer reparos fora do laboratório e em um ambiente de serviço real. Mas o desafio era que os métodos atuais para ativos militares não são muito bem-sucedidos. As opções são reparo com duplicador colado [essencialmente colando uma chapa sobre a área danificada] ou remover o ativo de serviço para reparos de nível de depósito (D-level). Há tantos ativos parados ao lado porque um reparo D-level é necessário."

O que é necessário, ele continua, "é um método que possa ser executado por um soldado sem experiência em compósitos, usando apenas um kit e manual de reparo. Nosso objetivo era tornar o processo fácil: Ler o manual, avaliar o dano e fazer o reparo. Não queríamos nenhuma mistura de resinas líquidas porque isso requer medição precisa para garantir cura completa. Também precisávamos de um sistema sem resíduos HAZMAT para manusear após o reparo ser concluído. E tinha que ser embalado como kits que podem ser implantados pelas redes já em vigor."

Materiais inovadores de remendo colado

Uma solução que a Custom Technologies demonstrou com sucesso é um kit portátil que permite um remendo compósito colado, adaptado ao tamanho do dano — até no máximo 12 polegadas quadradas — usando um adesivo epóxi endurecido. Demonstrações foram concluídas em compósitos representativos do tabuleiro AMCB de 3 polegadas de espessura, que apresenta um núcleo de balsa de 3 polegadas de espessura (densidade de 15 libras por pé cúbico) com peles compreendendo duas camadas de tecido biaxial costurado de carbono C-LT 1100 0°/90° da Vectorply Corp. (Phenix City, Alabama, EUA), uma camada de fibra de carbono triaxial C-TLX 1900 0°/+45°/-45° e mais duas camadas de C-LT 1100 para cinco camadas no total. "Decidimos que o kit usaria remendos pré-fabricados em disposição quasi-isotrópica de multiaxiais similares para que orientação do tecido não fosse um problema", diz Crane.

A próxima questão foi a matriz de resina para laminação de reparos. Para evitar mistura de resinas líquidas, o remendo usaria pré-impregnados. "No entanto, o desafio para estes é armazenamento", explica Bergen. Para desenvolver uma solução de remendo armazenável, a Custom Technologies fez parceria com a Sunrez Corp. (El Cajon, Califórnia, EUA) para desenvolver um pré-impregnado de fibra de vidro/éster vinílico que cura em seis minutos usando luz ultravioleta (UV). Também trabalhou com Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, EUA), que sugeriu usar um novo filme de resina epóxi flexível.

Investigações iniciais já haviam demonstrado que epóxi era a resina mais adequada para um pré-impregnado de fibra de carbono — cura UV de éster vinílico funciona muito bem com fibras de vidro translúcidas mas não cura sob fibras de carbono que bloqueiam a luz. Baseado no filme inovador da Gougeon Brothers, o pré-impregnado epóxi final demonstrou cura de uma hora a 210°F/99°C com longa vida de prateleira à temperatura ambiente — nenhum armazenamento em baixa temperatura é necessário. A resina também cura a temperaturas mais altas, diz Bergen, por exemplo a 350°F/177°C se uma temperatura de transição vítrea (Tg) mais alta for necessária. Ambos os pré-impregnados são fornecidos no kit de reparo portátil como disposições de remendo pré-fabricadas seladas em envelopes de filme plástico.

Estudo de vida de prateleira

Como kits de reparo podem ficar em armazenamento por tempo prolongado, a Custom Technologies foi obrigada a realizar um estudo de vida de prateleira. "Compramos quatro caixas plásticas rígidas — típicas do tipo que os militares usam para envio de equipamentos — e colocamos amostras dos adesivos epóxi e pré-impregnado de éster vinílico em cada uma", diz Bergen. As caixas foram então colocadas em quatro locais diferentes para teste: no telhado da instalação da Gougeon Brothers em Michigan, no telhado de um aeroporto em Maryland, ao ar livre em uma instalação em Yucca Valley (deserto da Califórnia) e em um laboratório de teste de corrosão ao ar livre no sul da Flórida. Todas as caixas tinham registradores de dados, nota Bergen, "e puxávamos dados e amostras de material a cada três meses para avaliação. Temperatura máxima de 140°F foi registrada pelas caixas na Flórida e Califórnia, que é um desafio real para a maioria das resinas de reparo." Além disso, a Gougeon Brothers testou a resina epóxi recém-desenvolvida internamente. "Amostras mantidas por meses em forno a 120°F começaram a polimerizar", diz Bergen. "No entanto, para amostras correspondentes mantidas a 110°F, a química da resina avançou apenas uma pequena quantidade."

Testes de reparo

Para demonstrar a tecnologia de reparo, laminados representativos tiveram que ser fabricados, danificados e depois reparados. "No projeto Fase I, inicialmente trabalhamos com vigas de pequena escala, 4 x 48 polegadas, e testes de flexão de quatro pontos para avaliar a viabilidade do nosso processo de reparo", diz Crane. "Então transitamos para painéis de 12 x 48 polegadas no projeto Fase II, aplicando carga para criar um estado de tensão biaxial até falha, e então avaliamos o desempenho do reparo. No projeto Fase II, também completamos reparos em um modelo do AMCB que havíamos construído."

Os painéis de teste usados para demonstrar o desempenho do reparo foram fabricados usando o mesmo pedigree em laminado e núcleo que o AMCB construído pela Seemann Composites, diz Bergen, "mas reduzimos a espessura da pele de 0,375 polegada para 0,175 polegada, baseada no teorema dos eixos paralelos. Esta abordagem, junto com elementos adicionais de teoria de vigas e teoria clássica de laminados [CLT], foi usada para relacionar o momento de inércia e rigidez efetiva do AMCB em escala real a artigos demonstrativos reduzidos mais tratáveis e custo-eficientes. Então usamos modelos de análise de elementos finitos [FEA] desenvolvidos pela XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, EUA) para refinar o design dos reparos estruturais." Tecidos de fibra de carbono para os painéis de teste e modelo AMCB foram comprados da Vectorply e núcleo de balsa foi fornecido pela Core Composites (Bristol, Rhode Island, EUA).

Passos do reparo

Passo 1. Este painel de teste mostra o diâmetro do furo de 3 polegadas para simular dano marcado no centro, bem como o perímetro do reparo.

Passo 2. Uma rebarbadora manual alimentada por bateria é usada para remover material danificado e escarificar um afilamento 12:1 para receber o remendo de reparo.

"Queríamos simular um grau maior de dano nos painéis de teste do que o que provavelmente seria visto em tabuleiros de ponte em campo", explica Bergen. "Então, nossa abordagem foi usar uma serra copo para fazer um furo de 3 polegadas de diâmetro. Então puxamos o tampão de material danificado para fora e realizamos um escarificação 12:1 usando uma rebarbadora pneumática manual."

Para o reparo de fibra de carbono/epóxi, explica Crane, uma vez que o material da pele "danificado" foi removido e o escarificação apropriado aplicado, o pré-impregnado foi cortado na largura e comprimento para combinar com o afilamento da área danificada. "Para nossos painéis de teste, isso exigiu quatro camadas de pré-impregnado que trouxeram o material de reparo para ficar nivelado com o topo da pele de carbono original não danificada. Após isso, três sobrecamadas do pré-impregnado de carbono/epóxi foram centralizadas sobre esta seção de reparo. Cada camada sucessiva estendeu 1 polegada em todos os lados da camada abaixo, o que proporcionou uma transferência gradual de carga do material 'bom' circundante para a área reparada." O tempo total para realizar este reparo — incluindo preparação da área de reparo, corte e colocação do material de reparo e aplicação do procedimento de cura — foi de aproximadamente 2,5 horas.

Mesmo que o reparo de carbono/epóxi seja simples e rápido, a equipe reconheceu a necessidade de uma solução ainda mais rápida que pudesse restaurar desempenho. Isso levou à exploração do pré-impregnado curado por UV. "O interesse na resina de éster vinílico Sunrez baseou-se em experiência anterior da Marinha com Mark Livesay, que fundou a empresa", explica Bergen. "Começamos fornecendo à Sunrez um tecido de vidro quasi-isotrópico para pré-impregnar com seu éster vinílico e avaliamos o perfil de cura sob condições variadas. Além disso, sabendo que a resina de éster vinílico não fornece propriedades de colagem secundária tão adequadas quanto o epóxi, houve um esforço adicional para avaliar vários agentes de acoplamento de linha de colagem e qualificar um para esta aplicação."

Outra questão era que a fibra de vidro não fornece as mesmas propriedades mecânicas que a fibra de carbono. "Isso foi abordado usando uma camada adicional do vidro/éster vinílico comparado ao remendo de carbono/epóxi", diz Crane. "A razão pela qual apenas uma única camada adicional foi necessária foi que o material de vidro era um tecido mais pesado." Isso resultou em um remendo adequado que poderia ser aplicado e então curado em seis minutos mesmo em temperaturas de campo muito frias/congelantes sem necessidade de fornecer calor. Crane nota que este reparo poderia ser concluído em uma hora.

Ambos os sistemas de remendo foram demonstrados e testados. Para cada reparo, a área a ser danificada foi marcada (passo 1), criada com a serra copo e então removida usando uma rebarbadora manual alimentada por bateria (passo 2). A área de reparo foi então escarificada para um afilamento 12:1. A superfície escarificada foi limpa com pads de álcool (passo 3). Em seguida, o remendo de reparo foi cortado no tamanho, posicionado na superfície limpa (passo 4) e consolidado com um rolo para remover bolhas de ar. Para o pré-impregnado de fibra de vidro/éster vinílico cura UV, um peel ply foi então colocado sobre a área de reparo e o remendo foi curado usando uma luz UV sem fio por seis minutos (passo 5). Para o pré-impregnado de fibra de carbono/epóxi, a área de reparo foi ensacada a vácuo e curada usando um hot bonder pré-programado, de um botão, alimentado por bateria por uma hora a 210°F/99°C.

Validação por novatos e aplicações futuras

Um aspecto chave do projeto foi provar que um novato poderia completar o reparo facilmente. Para fazer isso, Bergen teve uma ideia: "Eu tinha prometido uma demonstração para nossos dois pontos de contato técnicos no Exército: Dr. Bernard Sia e Ashley Genna. Na revisão final do projeto Fase I, pedi a Ashley, que não tinha experiência prévia em reparo, para realizar o reparo. Usando os kits e manual que fornecemos, ela aplicou o remendo e completou o reparo sem quaisquer problemas."

Outro desenvolvimento chave é o sistema de cura alimentado por bateria. "Com reparo em campo, você só tem energia de bateria", nota Bergen. "Todo o equipamento de processo em nosso kit de reparo desenvolvido é sem fio." Isso inclui o hot bonder alimentado por bateria que a Custom Technologies desenvolveu com o fornecedor de hot bonder WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, EUA). "Este hot bonder alimentado por bateria é pré-programado para completar a cura, então o novato não precisa programar o ciclo de cura", diz Crane. "Eles simplesmente apertam o botão e ele completa a rampa e imersão apropriadas." As baterias usadas atualmente duram um ano antes de precisar ser recarregadas.

Com o projeto Fase II agora concluído, a Custom Technologies está preparando uma proposta de aprimoramento subsequente e coletando cartas de interesse e apoio. "Nosso objetivo é amadurecer esta tecnologia para TRL 8 e colocá-la no campo", diz Bergen. "Também vemos potencial para aplicações não militares."